超疏水材料表面液—气界面的稳定性及演化规律

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液–气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液–气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液–气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液–气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液–气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液–气界面稳定性研究的主要进展,总结液–气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

Stability and evolution of liquid-gas interfaces on superhydrophobic surfaces

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液-气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液-气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液-气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液-气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液-气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液-气界面稳定性研究的主要进展,总结液-气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提. 因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程, 以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值, 也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散, 最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.      

水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提.因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程,以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值,也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散,最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.     

材料微结构演化的相场模拟

材料的各种宏观性能与其内部的微观结构密切相关,如何通过控制材料微结构的分布来提高其性能指标一直是工程界与学术界广泛关注的课题。由于场变量在界面的突变,传统的基于局部理论的突变界面模型在描述材料微结构演化方面存在一定的困难。基于非局部理论的相场法采用扩散界面的概念来描述界面,避开了理论上描述突变界面的困难,在模拟材料内部任意的组织形态和复杂的微结构演化方面具有独特的优点。本文首先介绍相场法的热力学理论基础,包括自由移动边界问题、扩散界面模型、非局部能量泛函、相场动力学方程及其常用求解方法。然后重点介绍铁电、铁磁和多铁性材料微结构演化的相场模拟,同时简要介绍相场法在软物质和锂离子电池材料微结构演化模拟中的应用,最后给出总结和展望。     

基底弹性对蒸发超薄液膜去润湿过程的影响

研究了基底的弹性变形对蒸发超薄膜的稳定性和去润湿动力学过程的影响. 基于长波近似, 得到了关于液体薄膜厚度的演化方程. 运用线性稳定性理论和数值模拟两种方法, 研究了基底弹性、范德华力以及液体蒸发等因素对液体薄膜的稳定性和去润湿过程的影响. 研究结果表明增大基底的弹性系数或者减小液体的表面张力, 都能加速液膜的破碎, 并且能够影响气液界面波的波长; 液体蒸发能促进气液界面扰动的增长, 有助于液膜的破裂.      

反射激波作用重气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

采用高速摄影结合激光片光源技术,研究了反射激波冲击空气环境中重气体(SF₆)气柱的Richtmyer-Meshkov不稳定性。通过在横式激波管试验段采用可移动反射端壁获得不同反射距离,实现了反射激波在不同时刻二次冲击处于演化中后期的气柱界面,得到了不同的界面演化规律。反射距离较小时,斜压机制对气柱界面形态演化的影响显著,界面衍生出二次涡对结构;反射距离较大时,压力扰动机制的影响显著,界面在流向上被明显地压缩,没有形成明显的涡结构。由气柱界面形态的时间演化图像得到了界面位置和整体尺度随时间的变化,对反射激波作用后气柱界面的演化进行了量化分析。     

界面剪切力作用下波状液膜流的水动力稳定性

液膜流的水动力稳定性作为保障其高效传热传质性能的重要因素之一,受多种因素的制约和影响. 当气液界面处存在因气流流动而产生剪切力作用时,剪切力将通过改变界面处的边界条件,从而影响液膜流动的稳定性. 基于边界层理论,采用积分法建立了剪切力作用下降液膜表面波演化方程,分析了界面剪切力对水动力稳定性的影响. 研究表明,正向剪切力为不稳定性因素,反向剪切力在较小雷诺数时为不稳定因素,在大雷诺数时为稳定性因素;正向剪切力使临界波数和临界波速增大,反向剪切力使其减小;剪切力对临界波速的影响在不同雷诺数下也有所不同.      

椭球液滴撞击超疏水表面反弹过程数值分析

液滴在自由落体或受外力作用时常发生椭球形变,对其撞击超疏水壁面的运动形态及形成二次液滴有较大影响.本文假定具有不同轴向半径比值(AR)的椭球形液滴,采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对椭球形液滴撞击超疏水平壁面进行数值模拟研究,对椭球形液滴撞击超疏水平壁面反弹过程运动形态和AR对二次液滴形成的影响进行分析.研究表明,不同AR液滴撞击超疏水壁面后反弹过程具有一定相似性,同时存在明显差异.液滴反弹过程中会拉伸形成长液柱,其未扰动界面直径随AR的增大而减小.在Plateau-Rayleigh不稳定性影响下,长液柱会发生破碎形成二次液滴,但较低的AR对二次液滴的形成有较明显的抑制作用,当AR小于临界值0.6时,反弹过程中液滴内部压力均匀稳定,最终不产生二次液滴.     

电子背散射衍射技术及其在微观力学行为研究中的应用

电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）技术不仅能表征材料微观组织,还能定性分析测试区域的弹性应变和塑性应变,目前该技术已被广泛用于晶体材料微结构的表征。考虑到服役过程中材料微结构及其应力状态可能会发生变化,因此,研究不同服役环境下晶体微观组织与应变场演化之间的内在联系对于研究材料的失效行为和机理有重要意义。本文介绍了EBSD技术的基本原理、常用制样方法及其主要功能,给出了基于EBSD技术在材料科学领域的应用实例,探讨了使用EBSD不同成像数据研究材料微结构及其微观力学行为的分析方法。     

On the stability of gas bubbles in liquid-gas solutions

It was shown some time ago by use of diffusion theory that a gas bubble in a liquid-gas solution was unstable. This problem has been reconsidered recently in two papers both of which propose to develop a stability analysis solely from thermodynamic considerations. The first of these studies purports to find stability for a gas bubble in a liquid-gas solution. Some possible sources of error in this analysis are mentioned here. The second study considers a particular system of a bubble in a liquid drop immersed in a second liquid in which the gas is insoluble. A condition of stability is then found. This system is reconsidered here simply in terms of the ideas of diffusion theory. The stability conditions may then be stated in simple physical terms.     

A numerical study on droplet-particle collision dynamics

The impact of liquid droplets onto spherical stationary solid particles under isothermal conditions is simulated. The CFD model solves the Navier-Stokes equations in three dimensions and employs the Volume of Fluid Method (VOF) coupled with an adaptive local grid refinement technique able to track the liquid-gas interface. A fast-marching algorithm suitable for the quick computation of distance functions required during the grid refinement in large 3-D computational domains is proposed. The numerical model is validated against experimental data for the case of a water droplet impact onto a spherical particle at low We number and room temperature conditions. Following that, a parametric study is undertaken examining (a) the effect of Weber number (= ρu²D_o/σ) in the range of 8 to 80 and (b) the droplet to particle size ratio ranging in-between 0.31 and 1.24, on the impact outcome. This has resulted to the identification of two distinct regimes that form during droplet-particle collisions: the partial/full rebound and the coating regimes; the latter results to the disintegration of secondary satellite droplets from elongated expanding liquid ligaments forming behind the particle. Additionally, the temporal evolution of variables of interest, such as the maximum dimensionless liquid film thickness and the average wetting coverage of the solid particle by the liquid, have been quantified. The present study assists the understanding of the physical processes governing the impact of liquids onto solid spherical surfaces occurring in industrial applications, including fluid catalytic cracking (FCC) reactors.     

圆管内大液气比下液雾在高温气流中蒸发特性的研究

本文获得了液雾在过热蒸发状态下的液气两相能量方程,给合运动学方程、粒径分布及轨道模型,组成了描述液雾的完整数学方程组。提出将时间变量隐含在空间变量中来克服由于大液气比引起的“物性漂移”,考虑了壁面捕获。计算结果表明:大滴径粒子与小滴径粒子,参数变化具有不同的特征,并对气相温度场的模型计算值与实验值进行了比较.     

反射激波作用下三维凹气柱界面演化的数值研究

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例. 单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注, 但是反射激波再次冲击气柱 (尤其是三维气柱) 的研究较少, 相关演化规律和机理尚不清楚. 反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量, 影响涡量的输运和分布, 从而影响界面的演化. 本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods) 程序, 研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例.单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注,但是反射激波再次冲击气柱(尤其是三维气柱)的研究较少,相关演化规律和机理尚不清楚.反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量,影响涡量的输运和分布,从而影响界面的演化.本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods)程序,研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N_2气柱(气柱外为SF_6)的演化过程,并考察了反射激波对二维和三维凹气柱界面演化的影响规律.在数值模拟中,选取了不同的反射距离(定义为气柱和反射边界的距离),得到了二维和三维凹气柱在反射激波冲击前后的完整演化图像,提取了气柱上特征点位置随时间变化的定量数据,重点分析了不同演化阶段气柱几何特征及斜压涡量分布的变化趋势.研究表明,反射距离决定着反射激波作用气柱时的激波形状和气柱形态,从而影响斜压涡量的生成和分布,进而改变气柱的不稳定性演化过程.对于三维气柱,不同高度截面上的斜压涡量分布不同,从而诱导出复杂的三维演化结构.     

Nanoparticles assembly-induced special wettability for bio-inspired materials

Through billions of years of evolution, nature has optimized the programmed assembly of the nano- and micro-scale structures of biological materials. Nanoparticle assembly provides an avenue for mimicking these multiscale functional structures. Bio-inspired surfaces with special wettability have attracted much attention for both fundamental research and practical applications. In this review, we focus on recent progress in nanoparticle assembly-induced special wettability, including superhydrophilic surfaces, superhydrophobic surfaces, superamphiphobic surfaces, stimuli-responsive surfaces, and self-healing surfaces. A brief summary and an outlook of the future of this research field are also provided.     

低维碳和氮化硼材料的物理力学研究进展

碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣。然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能。论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势。     

Interfacial energy and dissipation in martensitic phase transformations. Part I: Theory

A model of evolving martensitic microstructures is formulated that incorporates the interfacial energy and dissipation on three different scales corresponding to the grain boundaries attained by martensite plates, the interfaces between austenite and martensite plates, and the twin interfaces within martensite plates. Three different time scales are also considered in order to clarify the meaning of rate-independent dissipation related to instabilities at more refined temporal and spatial scales. On the slowest time scale, the process of deformation and martensitic phase transformation is investigated as being composed of segments of smooth quasi-static evolution separated by sudden jumps associated with creation or annihilation of interfaces. A general evolution rule is used in the form of minimization of the incremental energy supply to the whole compound thermodynamic system, including the rate-independent dissipation. Close relationship is shown between the evolution rule and the thermodynamic condition for stability of equilibrium, with no a priori assumption on convexity of the dissipation function. It is demonstrated that the extension of the minimum principle from the first-order rates to small but finite increments requires a separate symmetry restriction imposed on the state derivative of the dissipation function. Formulae for the dissipation associated with annihilation of interfaces are proposed that exhibit limited path-independence and satisfy that symmetry requirement. By exploiting the incremental energy minimization rule with the help of the transport theorems, local propagation conditions are derived for both planar and curved phase transformation fronts. The theory serves as a basis for the algorithm for calculation of the stress-induced evolution of martensitic microstructures along with their characteristic dimensions and related hysteresis loops in shape memory alloys; the examples are given in Part II of the paper.